淺談常規島廠房鋼吊車梁設計

摘要：本文通過某核電廠常規島廠房鋼吊車設計實例，簡述了核電廠鋼吊車梁的一般設計方法，就影響線在吊車梁設計中的應用進行了探討，總結了在鋼吊車梁設計過程中需要注意的事項及需要采取的措施，可供類似工程設計參考。

關鍵詞：常規島廠房；鋼吊車梁；影響線；設計過程；注意事項

核電廠常規島廠房由于工藝設備安裝的要求，均會有較大噸位的吊車。吊車對廠房設計有著非常大的影響，吊車的安全性在廠房設計中非常重要。吊車梁作為直接承受動力荷載的構件，在設計中因此需要慎之又慎。通過某核電廠常規島廠房鋼吊車梁的設計，對主廠房吊車梁設計中的經驗和問題進行了探討和總結。

1. 工程概況

某核電廠常規島廠房由于工藝設備布置的需要，主廠房柱間軸距尺寸多且分布不均勻，有邊跨12m和11.2m，中跨9m和11.4m。廠房內有兩臺270/50t輕級橋式吊車，由于柱距的不均勻，吊車梁的最大彎矩點和最大彎矩以及吊車梁的最大剪力確定比較困難。下面就該梁的設計過程說明一下吊車梁的一般設計方法及如何利用影響線快速方便的確定吊車梁最大彎矩和最大剪力的問題。

2. 設計過程

鋼吊車梁系統通常由吊車梁、制動結構、輔助桁架及支撐等構架組成。而吊車梁又以焊接工字形吊車梁最為常見，其制作簡單，受力性好。因此本工程吊車梁的設計采用該種型式，其強度、穩定性和允許撓度均需滿足規范規定的要求。吊車梁截面如圖1所示。

2.1.截面特性

2.1.1.吊車梁對X軸的截面特性

A=1149.04cm2（毛截面），y=92.55cm（毛截面），A0=1133.06cm2（凈截面），y0=93.83cm（凈截面）

毛截面慣性矩：IX=8.944X106cm4 ；毛截面抵抗矩：WX= Ix/y=9.664X104 cm3

凈截面慣性矩：IX0=8.814X106cm4；凈截面抵抗矩：Wnx上= IX0/y0=9.394X104 cm3

Wnx下= IX0/（h-y0）=6.986X104 cm3

2.1.2. 吊車梁上翼緣對Y軸的截面特性（凈截面）

2.2.吊車資料

2.3.吊車荷載計算

2.3.1.吊車豎向荷載

2.4.內力計算

2.4.1.最大彎矩點（c）的確定及最大彎矩計算

計算手冊等參考文獻均未有8個輪子的最大彎矩點位置圖及最大彎矩計算公式，但是了解其計算原理后，可根據影響線比較后列出計算公式輕松求得。

在移動荷載作用下，可以求出簡支梁上任一指定截面處的最大彎矩。但在梁的所有各截面最大彎矩中，又有最大的，通常稱為簡支梁的絕對最大彎矩。要確定絕對最大彎矩，需解決兩個問題：a.絕對最大彎矩發生在哪一個截面？b.此截面發生最大彎矩值時的荷載位置。

當梁上作用的都是集中荷載時，彎矩圖的頂點總是在集中荷載作用點處，因此絕對最大彎矩必定是在發生在某一集中荷載作用點的截面上。

MK表示PK以左梁上荷載對PK作用點的力矩總和，它是一個與x無關的常數，當MX為極大時，根據極值條件 （L-x-a）=0得x=L/2-a/2。這表明，當PK與合力∑P對稱于梁中心點時，PK之下截面的彎矩達到最大值。

利用上述結論，可以求出各個荷載作用點截面的最大彎矩，然后將他們加以比較而得出絕對最大彎矩。因簡支梁絕對最大彎矩總是發生在梁的中心附近，故可設想，使梁中心截面參生最大彎矩的臨界荷載，也就是發生絕對最大彎矩的臨界荷載。因此計算簡支梁絕對最大彎矩，可首先確定使梁中心截面發生最大彎矩的臨界荷載PK，然后移動荷載組使PK與梁上荷載的合力∑P對稱于梁的中心，再計算此時PK作用點截面的彎矩，即得絕對最大彎矩。

根據上述方法計算（以中跨11.4m為例），2臺吊車如圖4（a）所示擺放時（計算過程略），臨界荷載PK為前吊車最后一個輪子輪壓，此時梁中心截面彎矩最大，移動荷載組使PK與梁上荷載的合力∑P對稱于梁的中心，計算梁絕對最大彎矩得：

如圖3（b）所示，經驗證，根據影響線計算所得結果與以C點為中心取矩算得的MC結果一樣，無誤差（驗證計算過程略）。

2.4.2. 最大剪力計算

當P作用在C點時，VC的影響線沒有意義。因此，絕對最大彎矩處的相應剪力不應用剪力影響線求得，應以取矩方法求得：

吊車梁最大剪力（支座處）VR根據支座處反力影響線（見圖4）求得：

2.4.3.水平向最大彎矩計算

吊車梁橫向水平荷載作用下在水平方向產生的最大彎矩：

2.5.強度計算

2.5.1.正應力

2.5.2.剪應力

2.5.3.腹板局部壓應力：

2.5.4. 腹板計算高度邊緣處的折算應力，按鋼結構設計規范公式4.1.4-1計算能滿足，過程略。

2.6.穩定性計算

由于吊車梁沒有設置制動結構體系，故需計算梁的整體穩定性

2.6.1. 整體穩定性系數（按鋼結構設計規范附錄B.1公式計算）

2.6.2. 整體穩定性計算

2.6.3. 腹板局部穩定性計算

=97>66，應配置橫向加勁肋，并驗算腹板穩定性，加勁肋間距a=150cm，寬度bs=20cm。

按鋼結構設計規范公式（4.3.3-1）驗算能滿足，過程略。

2.6.4.支座加勁肋計算及加勁肋穩定驗算

按《鋼結構設計手冊》（第三版）公式3-26a，3-27a進行強度計算，按公式8-34進行穩定性驗算，滿足要求，過程略。

2.7.撓度計算

2.8.疲勞度驗算

本廠房吊車為輕級工作制，根據鋼結構規范條文說明6.2節說明，輕級工作制吊車梁可不做疲勞驗算。

經過反復試算比較，中跨11.4m吊車梁為本次設計控制跨度，各項計算滿足規范要求。認定該梁的斷面型式比較合理，施工、安裝方便，滿足工藝要求；經濟性合理，且有一定的安全裕度，符合核電“安全第一”的企業文化要求。

3.設計注意事項及措施

通過本次設計及研究發現，在鋼吊車梁設計過程需注意以下幾個方面：

3.1.荷載計算需準確。豎向荷載、橫向水平荷載需乘以動力系數及分項系數。

3.2. 內力計算需準確。絕對最大彎矩及最大剪力的確定應依靠影響線確定，且影響線直觀方便，減少計算工作量，不易出錯。通常認為的在吊車梁上輪子越多，梁絕對最大彎矩越大是不正確的，需特別注意，因此絕對最大彎矩一定要以影響線確定。通過影響線對邊跨12m比較計算，發現5個輪子在吊車梁上時絕對最大彎矩比6個輪子在吊車梁上時大。

3.3. 支座加勁肋需進行壓力計算和穩定性驗算且留有一定裕度。國內外一些試驗表明，焊接工字型梁破損部位多在端加勁肋或橫向加勁肋與上翼緣的焊接區產生局部縱向裂縫，因此設計支座加勁肋需留有一定裕度。

3.4. 合理的構造設計。支座處橫向加勁肋應在腹板梁側成對布置，并與梁上下翼緣刨平頂緊。中間橫向加勁肋上端應與梁上翼緣刨平頂緊，且下端宜在距受拉翼緣50～100mm處斷開。為防止橫向水平力引起的鋼梁受扭（鋼結構受扭性能差），在吊車梁上翼緣宜每隔1500mm左右（橫向加勁肋間距）設置鋼板與常規島廠房框架梁連接，抵抗扭矩增強整體穩定性。

4.小結與探討

通過此次設計，對鋼吊車梁的設計過程有了一個總體認識，吊車梁的設計就總體而言，除應滿足規范規定的強度、穩定、撓度要求外，還應滿足一定的構造要求。而對重級工作制及使用頻繁而滿負荷率低的一些中級工作制吊車梁，特別是吊車桁架需進行疲勞驗算。對鋼吊車梁可能由附加荷載及軌道偏心引起的扭矩，除在截面型式和構造上進行處理外，計算方法還有待于我們進一步探討。